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下一代蜂窝网络的MIMO技术

日期:2011年3月26日 19:51

所有的无线技术都面临信号衰落、多径、不断增加的干扰和受限制的频谱的挑战。多输入多输出(MIMO)技术在不需要占用额外的无线电频率的条件下,利用多径来提供更高的数据吞吐量,并同时增加覆盖范围和可靠性。它解决了当今任何无线电技术都面临的两个最困难的问题,即速度与覆盖范围。

使用MIMO处理的数字通信技术已经作为具有革命性重要意义的无线电系统的突破性技术出现。这种调制格式显示出频谱上的一致性,能实现更高的数据速率和更高的频谱效率,允许更大的覆盖范围,并支持与现有的OFDM标准的后向兼容。本文将解释为何MIMO与其OFDM调制技术适合于下一代蜂窝技术的部署。但是,首先让我们快速了解一下MIMO技术。

MIMO基础

通常提供一个总结某种技术的突出特性的简洁定义非常有用。MIMO即为相同的时间在相同的无线电信道内传输的两个或更多的数据信号。MIMO是一种在一个无线电信道内传输和接收两个或多个不同的数据流的革命性的多维方法,这样系统在每个信道内传送的数据率能提高两倍或更多倍。

如图1所示,超过一个的射频相干上变频器和天线被用来发送多组信号,以及超过一个射频相干下变频器和天线被用于接收信号。采用MIMO,每个信道的最大数据速率随着在同一个信道中传输的不同数据流的数量呈现线性增长。

MIMO方法通过一个无线信道发送和接收两个或更多的不同数据流。这意味着系统可以在每个信道上提供两倍或更高的数据率。通过允许同时发送多个数据流,如图1所示,MIMO在不使用额外的频谱条件下使无线数据传输容量数倍增加。

峰值吞吐量

在MIMO系统中峰值吞吐量增加的倍数等于在无线信道中传输的信号流数量,由于从不同的无线电和天线发送出多个信号,MIMO信号某些时候被称为“多维”信号。传统的无线电信号被称作“一维信号”,因为即使是使用多个天线,在无线电信道中都只传送一个数据流。

随着消费者的需求从高带宽应用如互联网接入和电子邮件发展到包含游戏、音频流和视频流,对更高数据率的需求不断增长。手机处理器的发展以及进一步的技术集成(如将更高的数百万像素相机、视频等集成到手机中),将只会增加更多消耗带宽的应用,需要覆盖范围更广以及更有效地利用网络运营商的有限频谱。

Airgo网络公司在WLAN领域的从MIMO到OFDM的研究、创新、开发和应用,以及随后802.11n标准组织对MIMO的采纳,都证明MIMO不仅能提供更高的数据速率,而且扩展了Wi-Fi的覆盖距离,可以涵盖更多的移动用户份额。在看到MIMO在提高数据速率和扩展覆盖距离的有效性以及优越性后,其它的标准组织意识到MIMO可以为包括固定移动和蜂窝网络在内的其它技术带来重大突破。像3G、WiBro、WiMAX、802.20和4G这些标准组织已经在探讨MIMO的使用,某些标准组织已经在他们各自的技术领域内采用了该技术。

4G蜂窝网络的发展之路

CDMA技术从诞生之初就是一种革命性技术。因为CDMA技术相对于其它技术如GSM的优越性,高通公司不仅推动了3GPP2标准,还渗透到了3GPP WCDMA标准。CDMA的巨大成功帮助高通公司从手机OEM厂商获取了大量的权利金。

但是,最近OFDM已经开始发展壮大,并正在以一种未来新的颠覆性技术的姿态出现。OFDM由于能够在不需要复杂的均衡算法的条件下解决常见的射频失真问题,以及能在频域中轻易扩展,已经表现出其独特优势。

在过去的几年里,OFDM技术已经成功地应用到一些无线应用中,如WLAN、广播(DVB)和WiBro/WiMAX。最近,初创公司Flarion通过使下行链路峰值速率提高到3.2Mbps,证明了OFDM在蜂窝网络应用中的前景。

在认识到OFDM作为4G标准技术的潜在可能后,高通公司收购了Flarion。这宗收购表明OFDM是下一代的无线技术。MIMO在第三代蜂窝系统、宽带固定无线系统、高速WLAN和移动Ad Hoc网络中处于采纳或部署的不同阶段。

在Airgo公司的开创性努力下,基于MIMO OFDM的经济的WLAN系统在2003年得以实现,这为无线电产业开辟了新的空间。MIMO OFDM将成为802.11n WLAN的基本调制格式,因为该标准的每种提案都将MIMO OFDM作为主要方式,以实现比802.11a或802.11g显著提高的覆盖范围和吞吐量。

广泛的采纳

在过去几年,除了WLAN以外,MIMO技术还渗透到其他很多重要的商业无线电市场,如图2所示。多种基于MIMO的标准正在作为蜂窝网络的前沿技术出现。MIMO正在实行标准化,以作为HSDPA和WCDMA的3GPP发展路线图的一部分。


1MIMO在相同的信道上同时传输几组信号


2MIMO技术已经获得广泛的采用

WiMAX宽带无线接入网络和3G蜂窝移动网络已经将MIMO作为提高性能的一种可选工作模式。MIMO OFDM已经得到提议,并作为WiBro的一部分实现,并且已经成为3GPP LTE标准的可行性研究的一部分。

在北京召开的一个会议上,大多数公司推荐基于OFDM的下行链路用于3GPP LTE(长期演进)。一些主要的手机OEM和网络提供商正在开发以及在实验室测试基于MIMO OFDM的下一代蜂窝网络系统。主要的手机OEM和网络提供商正在进行研究和实验室测试,并发布在有限的测试环境下实现MIMO的新闻。北电、爱立信、摩托罗拉和西门子等公司的测试表明了该技术的前景。

实现MIMO

Airgo公司在开发和发布基于MIMO的WLAN芯片组的成功证明了MIMO在提高基于标准OFDM产品的数据速率和覆盖范围上非常有效,并提供非常好的频谱效率。将MIMO应用到另外一种标准,并无需改变该标准的底层无线协议,能获得性能上的提升。但是从实现的角度来看,MIMO系统在架构和计算上非常复杂,需要很多复杂的算法、复杂的架构和更高的数据处理能力。

图3显示了MIMO OFDM收发器链上Rx端的典型组件。


3MIMO OFDM系统接收端组件

这个收发器链由MIMO部件组成,包括用于同步的模块、信道估计、干扰处理以及MIMO检测,还有OFDM部件,如FFT、去交织处理和解码。Airgo在成功开发和制造三代基于MIMO OFDM的芯片组上具有专业技术、技巧和经验,并帮助其客户有效地将MIMO技术集成到商业产品中。

Airgo还积累了很多重要的IP,并对其技术进行了仔细优化,包括如低复杂度接收算法、MIMO信道估计算法、MIMO和非MIMO收发器的混合、MIMO架构、最优的接收器系统以及无线通信算法等等。此外,大部分的时间和精力花费在MIMO模块与OFDM组件的协同优化,包括MIMO OFDM解码、MIMO分解以及降低算法和架构复杂度和降低功耗的最优方法。

MIMO OFDM系统的组件

图3显示了用于无线局域网的MIMO OFDM系统如何轻易地用于实现像3G、WiBro、WiMAX、802.20或者4G之类的标准,以及哪些组件需要针对新的标准进行调整。如图所示,对于任何MIMO系统来说大部分的组件是相同的,这些组件可以轻易地使用,而需要改变的组件只限于系统的OFDM和编码部分。

MIMO是一种颠覆性的技术,该技术有望极大地改变未来十年的无线电产业。该技术正在渗透到每一种无线技术标准,包括3G蜂窝网络、WLAN、WiBro、WiMAX、802.20和4G蜂窝网络。很多公司试图将自己定位于利用MIMO OFDM技术,以获得相对于其他技术带来的数据速率、覆盖范围、频谱效率上的好处。

MIMO OFDM技术的先驱Airgo网络公司通过发布三代集成到商业产品中的WLAN芯片组,证明了MIMO OFDM带来的好处。在这些产品的开发过程中,Airgo开发了重要的专业技术、IP,并获得创建基于MIMO OFDM技术的系统的经验。

作者:Gurinder Dhillon

行销总监

gdhillon@airgonetworks.com

Airgo网络公司

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